LIAG
 

Multikomponentenseismik in übertieften Alpinen Becken

Abb. 1: Alpengebiet mit Bereichen übertiefter Täler und Becken (rot), den Einzugsgebieten der Hauptgletscher (blau) sowie im ICDP-Antrag DOVE geplanten Bohrlokationen (nummeriert) (Anselmetti et al. 2016; unpubl.). Die maximale Ausdehnung der Pleistozänen Vereisung (schwarze Linie) sowie des letzten glazialen Maximums (pinke Linie).

Motivation

Die europäischen Alpen sind umgeben und durchzogen von Tälern und Becken, die hauptsächlich während der unterschiedlich alten Eiszeiten des Pleistozäns ausgeräumt und wieder verfüllt wurden. Ein Teil dieser Strukturen zeigt einen übertieften Charakter, d.h. der eiszeitliche Gletscher hat tiefer als die fluviale Basis erodiert. Es wird angenommen, dass Schmelzwässer mit hohem Druck unterhalb des Eises für die Erosion verantwortlich sind. Nach der Erosion wurden die übertieften Täler und Becken mit glazialen Sedimenten oder Schmelzwassersanden wieder vollständig oder teilweise verfüllt. In Deutschland ist der Bodensee das prominenteste Beispiel für ein noch nicht vollständig verfülltes, übertieftes Becken. Diese Strukturen sind unter verschiedenen Gesichtspunkten von wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Relevanz, zum Beispiel in Bezug auf Grundwasser, Tunnelbau oder Endlagersicherheit (Preusser et al. 2010).

Abb. 2: Schematischer Ausräumung eines Übertieften Beckens. (a) Fluviale Erosion, (b) subglaziale Erosion und (c) verfüllter Bereich des übertieften Beckens, der in DOVE untersucht wird (nach Anselmetti et al. 2016; unpubl.).

Durch das ICDP-Projekt DOVE (Drilling Overdeepened Alpine Valleys; Anselmetti et al. 2016) werden Sedimente in verschiedenen übertieften Becken erbohrt, um Rückschlüsse auf die räumlich-zeitliche Ausdehnung der verschiedenen Vereisungen im alpinen Raum und somit die Klimageschichte zu erhalten. Weitere Fragen betreffen die Genese und Verfüllung der Becken.

Projekt

Auf dem eigentlichen Bohrvorhaben baut ein angegliedertes Projekt auf, das im Vorfeld der wissenschaftlichen Bohrungen den möglichen Einsatz und Nutzen von Reflexionsseismik mit Mehrkomponenten-Technik untersucht. Dazu wurden in den letzten Jahren an zwei Lokationen, dem 50-km-nördlich der Alpen Tannwaldbecken und dem inneralpinen Lienzer Becken, Messkampagnen durchgeführt. Neben hochauflösender P-Wellenseismik zur Struktur- und Faziescharakterisierung wurden SH-Wellen Profile und 6-Komponenten (horizontale Quellanregung in zwei Richtungen und 3-Komponentenemfängern) Profile registriert.

Ziele

  • Bereitstellung eines strukturellen 3-D Modells mit Reflexionsseismik zur Bestimmung von Beckentiefe, möglichen Störungen und Hauptreflektoren,
  • Charakterisierung von mehrphasiger glazialer Ablagerung/Erosion, Fazies und Massenbewegung,
  • Anwendung von P-Wellen-, Scherwellen- und Multikomponentenseismik zur Untersuchung der Anisotropie.
Abb. 4: Geologische Karte mit der Lage vorhandener Bohrungen sowie der seismischen Profile im Tannwaldbecken, gemessen mit P-Wellen (vertikale Quelle und Empfänger; schwarze Linien), SH-Wellen (horizontale Quelle und 1-Komponentenempfänger, beides senkrecht zur Profilrichtung; rote Linien) und Multikomponenten (horizontale Quelle in zwei Richtungen und 3-Komponentenempfänger; gelbe Linie).

Erste Ergebnisse

Tannwaldbecken

Die P-Wellenergebnisse zeigen die Struktur des Beckens, das sich in tertiäre Molasse einschneidet. Innerhalb der Beckenfüllung lassen sich verschiedene Faziesbereiche abbilden und geben Rückschlüsse auf die Verfüllung des Beckens. So identifizieren wir einen Block von Molasse innerhalb der Beckenfüllung, der nach der Beckenerosion dorthin verfrachtet wurde. Wenngleich die Auswertung der SH-Wellen und Mehrkomponentenprofile noch andauert zeigt sich bereits, dass wesentliche komplementäre Ergebnisse zur P-Wellenseismik zu erwarten sind.

Aufbauend auf den Ergebnissen wurde ein Modell der Beckenfüllung erstellt und eine Bohrlokation für die Forschungsbohrungen im Rahmen von DOVE gewählt.

Abb. 5: P-Wellen Sektion der Profile 2 (links) und 3 (rechts) inklusive Interpretation sowie der Bohrung Schneidermartin. Die Buchstaben stellen die interpretierte seismische Fazies dar.
Abb. 6: Satellitenbild des Lienzer Beckens mit der Lage der seismischen Profile, gemessen mit P-Wellen (vertikale Quelle und Empfänger; blaue Linien), SH-Wellen (horizontale Quelle und 1-Komponentenempfänger, beides senkrecht zur Profilrichtung; rote Linien) und Multikomponenten (horizontale Quelle in zwei Richtungen und 3-Komponentenempfänger; gelbe Linie).

Lienzer Becken

Im Lienzer Becken befinden sich die Daten derzeit in der Auswertung. Erste Ergebnisse der P-Wellen zeigen ein tief eingeschnittenes Tal von ca. 600 m. Zusätzlich lassen sich interne Strukturen erkennen, die für die Auswahl eines geeigneten Bohrpunktes maßgeblich sind.

Projektrelevante Literatur:

  • Buness, H., 2007. Improving the processing of vibroseis data for very shallow high-resolution measurements. Near Surface Geophysics, 5(3), 173-182.
  • Burschil, T., Beilecke, T. & Krawczyk, C.M., 2015. Finite difference modelling to Evaluate Seismic P-Wave and Shear Wave Field Data.  Solid Earth, 6, 33-47; doi: 10.5194/se-6-33-2015.
  • Ellwanger, D., Wielandt-Schuster, U., Franz, M. & Simon, Th., 2011. The Quaternary of the southwest German Alpine Foreland (Bodensee-Oberschwaben, Baden-Württemberg, Southwest Germany). E & G Quaternary Science Journal, 60 (2-3), 306-328; doi: 10.3285/eg.60.2-3.07.
  • Gabriel, G., Ellwanger, D., Hoselmann, C., Weidenfeller, M., Wielandt-Schuster, U. & The Heidelberg Basin Project Team,2013. The Heidelberg Basin, Upper Rhine Graben (Germany): a unique archive of Quaternary sediments in Central Europe. Quaternary International, 292, 43-58.
  • Krawczyk, C.M., Polom, U. & Beilecke, T., 2013. Shear-wave reflection seismics as valuable tool for near-surface urban applications. The Leading Edge, 32 (3), 256-263; doi: 10.1190/tle32030256.1.
  • Polom, U., Bagge, M., Wadas, S., Winsemann, J., Brandes, C., Binot, F. & Krawczyk, C.M., 2013. Surveying near-surface depocentres by means of shear wave seismics. First Break, 31 (8), 63-75.

Produkte & Publikationen des Projekts

  • Advanced seismic imaging of overdeepened alpine valleys preparatory to DOVE. - Gemeinsames IODP/ICDP Kolloquium, 14.-16.03.2017; Braunschweig.
    2017, BURSCHIL, T., BUNESS, H., TANNER, D., GABRIEL, G. & KRAWCZYK, C.M.
  • Arbeiten des LIAG zu übertieften Tälern und Becken - Fachvortrag am LGRB im Rahmen eines Arbeitstreffens, 21.02.2017, Freiburg.
    2017, BURSCHIL, T., TANNER, D.
  • High-resolution seismic imaging of the internal structure of the Tannwald Basin: a distal branch basin of the Rhine Glacier. - GeoBremen, 25.-27.09.2017; Bremen.
    2017, BURSCHIL, T., BUNESS, H., TANNER, D.C., WIELANDT-SCHUSTER, U., ELLWANGER, D. & GABRIEL, G.
  • Seismische Abbildungsmethoden von Übertieften Alpinen Tälern und Becken. - 77. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 27.-30.03.2017; Potsdam.
    2017, BURSCHIL, T., BUNESS, H., TANNER, D.C., GABRIEL, G. & KRAWCZYK, C.M.
  • Aktuelle Entwicklungen und Ergebnisse aus dem DFG-Projekt 'Mehrkomponentenseismik in übertieften Alpinen Tälern'. - DGG AK Seismik, 02.-04.03.2016; Freiberg.
    2016, BURSCHIL, T., BUNESS, H., GABRIEL, G. & KRAWCZYK, C.M.
  • Elastische Parameter quartärer Sedimente aus dem Tannwald Becken (BW): Refraktionsseismische Auswertung von P- und S-Wellen. - Laura Bräunig, Geowissenschaften, Bachelorarbeit LU Hannover.
    2016, BURSCHIL, T., BUNESS, H., HOLTZ, F.
  • Seismic imaging using multi-component techniques in overdeepened alpine valleys and basins. - FI:GEO Postdoc afternoon, 05.07.2016; Hannover, Germany.
    2016, BURSCHIL, T., BUNESS, H., GABRIEL, G. & KRAWCZYK, C.M.
  • Shallow P-wave and S-wave seismic imaging of overdeepened Alpine structures. - GeoTirol, 25.-28.09.2016; Innsbruck, Österreich.
    2016, BURSCHIL, T., BUNESS, H., GABRIEL, G.
  • The potential of P- and S- waves for seismic Imaging in overdeepened Valleys. 22nd European Meeting of Environmental and Engeneering Scientists, 4-8.9.2016 Barcelona, Spain.
    2016, BUNESS, H., BURSCHIL, T., GABRIEL, G.
  • Aktuelle reflexionsseismische Arbeiten im Tannwaldbecken. - DEUQUA Exkursion Allgäu 2015, 23.09.2015; Messgebiet Unteressendorf.
    2015, BURSCHIL, T., BUNESS, H. & GABRIEL, G.
 

Förderung

DFG

Laufzeit

2015-2018

Messeinsätze

  • Lienzer Becken 2 (SH-Wellen und Mehrkomponenten Survey; 12.09.-23.09.2016)
  • Lienzer Becken 1 (P-Wellen Survey; 15.08.-27.08.2016)
  • Tannwaldbecken 3 (SH-Wellen und Mehrkomponenten Survey; 14.09.-29.09.2015)
  • Tannwaldbecken 2 (P-Wellen Survey; 22.06.-02.07.2015)
  • Tannwaldbecken 1 (P-Wellen Survey; 16.06.-26.06.2014)